（电力系统及其自动化专业论文）配电系统接线模式模型和模式识别的研究与实现.pdf

a b s t r a c t a sac r i t i c a li n f r a s t r u c t u r e ，t h ed e s i g na n dp l a n n i n go fu r b a np o w e rd i s t r i b u t i o n s y s t e mh a sd r a w nm o r ea n d m o r ea t t e n t i o n i nd i s t r i b u t i o ns y s t e mp l a n n i n g ，i tp l a y s a ni m p o r t a n tr o l et oc h o o s ep r o p e rc o n n e c t i o nm o d e s c o n n e c t i o nm o d e sh a v ei m p a c t o nt h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ed i s t r i b u t i o ns y s t e m i nt h ep a s t ，m o s ta t t e n t i o nh a sb e e ng i v e nt ot h ee c o n o m ya n dr e l i a b i l i t yo ft h e c o n n e c t i o nm o d e s ，w h i l el i t t l et ot h er e c o g n i t i o no ft h ec o n n e c t i o nm o d e s r e c o g n i t i o no ft h ec o n n e c t i o n m o d e si st h eb a s i so fp o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m p l a n n i n g a n da n a l y s i s t h ew i r i n gp a t t e r n r e c o g n i t i o n m e t h o da n d a l g o r i t h m d e v e l o p m e n ti nl i t e r a t u r e 【12 】i sa i m e dp r i m a r i l ya tu r b a nm e d i u mv o l t a g eo v e r h e a d n e t w o r k s ，b u tt h e y d o e sn o t f u l l yc o r r e s p o n d t o p a t t e r nr e c o g n i t i o n o ft h e m e d i u m - v o l t a g ec a b l en e t w o r ko fc i t i e sa n du r b a nh i g h v o l t a g ep o w e rd i s t r i b u t i o n s y s t e m b a s i n go nt h ec o n c l u s i o no ft h ep o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mw i r i n gp a t t e r n sa t h o m ea n da b r o a d ，am o d e la n dam e t h o l da r ep r o p o s e dt od e a lw i t ht h eh u g e ， c o m p l i c a t e d c o n s t r u t i o nu r b a np o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m ，w i t ht h ec o r r e s p o n d i n g a l g o r i t h md e v e l o p e da l s o f i r s t l y ，t h ec o n n e c t i o nm o d e so fu r b a np o w e rd i s t r i b u t i o n s y s t e mi ss u m m a r i z e da n da b s t r a c t e dt og e tap o w e r - g r i d l o a dt h r e e t i e ra r c h i t e c t u r e ， t h eg r o u po fc o n n e c t i o nm o d e si si n t r o d u c e da sw e l l s e c o n d l y ，b a s i n go na n a l y s i so f n e t w o r kt o p o l o g y ”p o w e r - g r i d - l o a d ”p o w e rr e l a t i o n sa n dt h e ”n e t w o r k n e t w o r k ” r e l a t i o n sa r ed e v e l o p e d f i n a l l y ，f e a t u r e sa r es e l e c t e dt of o r mt h ee x p r e s s i o no f c h a r a c t a r sa n dt or e c o g n i z ec o n n e c t i o nm o d e s i n t h i sp a p e r , p a t t e r nr e c o g n i t i o n so f2 8t y p i c a lc o n n e c t i o nm o d e sa th o m ea r e p r e s e n t e d ；b a s i n go nt h e2 8t y p i c a lp a t t e r nr e c o g n i t i o n s ，t h ed a t a b a n ko f t h ep a t t e r n si s p r o p o s e dw i t hr e a s o n a b l eu n t y p i c a lc o n n e c t i o nm o d e si n c l u d e da sw e l l ，t h ed a t a b a s e a l s og i v e sr e f u s e dr e a s o n st ot h eu n r e a s o n a b l eo n e s i ti sp r o v e dt h a tt h em e t h o di s q u i t eu s e f u li nr e c o g n i z i n gc o n n e c t i o nm o d e so fh i g ha n dm i d d l ev o l t a g ed i s t r i b u t i o n n e t w o r k s k e yw o r d s ：u r b a nd i s t r i b u t i o ns y s t e m ；c o n n e c t i o nm o d e s ；c o n n e c t i o nm o d e g r o u p s ；p a t t e r nr e c o g n i t i o n ；d a t a b a s eo f t h ep a t t e r n s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：傅 签字日期：卅年月匕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解垂鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：可夕翟 签字日期： 加7 年6 月 蟛日 聊繇臂屯 签字日期： 呻年6 月匕日 第一章绪论 1 1 研究意义和背景 第一章绪论 1 1 1 城市电网规划基本概念 城市电网是指在城市范围内向城市及其郊区分配和供应电能的电力网，它包 括输电网( 2 2 0 k v 及以上) 、高压配电网( 3 5 、6 3 、1 1 0 k v ) 、中压配电网( 1 0 k v ) 和低 压配电n ( 0 3 8 k v ) 等各级点压电网的总称，简称为城网【lj 。城网不仅是电力系统 主要的负荷中心，而且是城市现代化建设的重要基础设施之一。目前每个城市的 供电企业，其运行范围通常是包括该整个城市范围内的各级配电网和向配电网提 供电源的输电网，所以经常也统称为供电系统或供电网。 城市电网发展的基本特点是随着城市的发展、负荷的增长、电源的扩充以及 供电质量和可靠性要求的提高，而随之不断发展、不断改造，并具有适当的“超 前性 城市建设发展规划是城市电网发展规划的重要依据。 电网规划是一个相当复杂的问题，它涉及到在时间及空间上的大量决策。为 了便于研究，往往将规划问题分解成相对简单的子问题，由此产生了多种类型的 电网规划子问题。如按照时间划分，可分为短期规划、中期规划和长期规划。按 照对规划期处理的不同，分为单阶段规划和多阶段规划。按照规划对象的不同， 分为输电网规划和配电网规划。按照规划的作用不同，分为扩展规划和运行规划 等。在形成电网规划方案时，原则上分为静态电网规划和动态电网规划【2 j 。静态 电网规划只对未来某一负荷水平年的电网接线方案感兴趣，不要求考虑接线方案 的过渡问题，因而又称为水平年规划。这种规划不涉及何时投建新输电线路的问 题，因此在进行费用比较时，可以不考虑资金的贴现。当规划期较长时，需要将 规划期分为几个水平年并考虑各水平年规划方案的过渡问题。在这种情况下，必 须同时确定在何时、何处投建新输电线路。这种规划称为长期电网规划或动态电 网规划。根据电网规划方案是否考虑了未来环境中的各种不确定信息，并在此基 础上进行相应处理，对电网规划又可分为确定性规划和灵活规划1 3 j 两类。 电网规划的目的是就是采用科学的方法确定规划区何时何地新建或改建何 种电力设施及其运行方式，使得未来的规划电网能够满足如下要求： 负荷发展要求； 各种电网技术要求，安全可靠的为电力用户提取其所需质量的电能； 第一章绪论 城市规划要求； 环保、美观等其他公共要求； 在满足上述要求的基础上，还追求最大的经济利益和社会效益。 1 1 2 当前电网面临的问题 随着国民经济和社会发展，用电负荷需求量增大，并且对电能质量、供电可 靠性要求提高，普遍出现配电系统不能充分满足用电需求的现象。近年来，全国 几乎所有的大中城市，夏季高峰负荷连年增长，使得城市配电系统中薄弱并且改 造难度最大的中、低压电网面临极大的压力。当前我国城市配电系统主要面临的 问题： ( 1 ) 配电网结构仍比较薄弱 对于大城市，一般中心区和市区11 0 k v 及l o k v 电网结构都比较强，但郊区 电网就比较薄弱；对于经济发展较快的城市，一般l o k v 电网较强，但l l o k v 电 网结构却比较脆弱，原因多是负荷发展太快，电网建设相对滞后；对于经济欠发 达的城市，一般11 0 k v 电网结构比较强，但l o k v 配电网受资金限制，结构一般 比较脆弱。 ( 2 ) 配电网自动化的应用水平很低 配电网自动化技术在我国许多城市已试点多年，但真正投入使用化应用的不 多，主要原因是开始定位不准，没有很好地从实用角度考虑，因而导致只有投入， 但收效不大，影响持续推进。 ( 3 ) 技术标准的更新工作相对滞后 我国现行的城市配电系统规划、设计、改造等技术标准大多出自二十世纪九 十年代，在一定历史时期，对我国城市配电网的改造与发展起到了重要的指导作 用。但是，随着社会经济和城市化的发展，电网规模不断扩大，设备水平不断提 高，这些标准不能完全适应我国城市配电系统的需要。 ( 4 ) 城市电网电力负荷增长迅速 经济的发展引起用电量的增加，在负荷增长中，用电结构发生了变化，居民 用电和第三产业负荷上升，加重了城市配电网的负担。 城市电网规划规划是城市电网发展和改造的总体计划。其任务是研究城市负 荷增长的规律，改造和加强现有城市电网结构，逐步解决薄弱环节，扩大供电能 力，实现设施标准化，提高供电质量和安全可靠性，建立技术经济合理的城市电 网。 搞好电网规划是发展的必然需求，电网规划可以用来知道电网建设和发展， 为电网的安全稳定运行及经营管理奠定坚实的基础，其规划质量直接影响到整个 第一章绪论 电力部门的经济效益和广大电力用户的用电质量【4 】。电网规划可以从以下几个方 面予以考虑： ( 1 ) 满足各种电网技术要求，安全可靠的为电力用户提供其所需要质量的电 能。 ( 2 ) 电网目标网架合理，接线简明，层次清晰。 ( 3 ) 电网运行灵活、经济、线损及成本相对较低。 ( 4 ) 电网有一定的裕度和应变能力 ( 5 ) 潮流流向合理，尽量避免网内环流。 1 1 3 国内接线模式简介 国内主要具有典型特点的省会( 直辖) 城市北京、上海、广州、昆明、海口， 另外还有一些具有特点的城市东莞、深圳、佛山在配电网电压等级和配电网接线 形式情况如表1 1 【5 j 所示。 通过表1 1 ，我们可以看出我国城市配电网电压等级向2 2 0 11 0 1 0 转变， ll o k v 网络的接线方式多为链式和t 接线方式，1 0 k v 架空网络多为分段联络接 线方式，1 0 k v 电缆网网络多为环式结构。随着配电网自动化要求程度越来越高 以及城网规划统一规范化的要求，有必要对城市配电网常用接线模式进行研究， 使接线模式研究系统化、规范化。 表卜1 国内部分城市配电网接线模式情况 第一章绪论 1 2 研究现状 按照规划工作的需要和规划方法的特点和效果，我国配电网规划经历了四个 阶段的发展过程：阶段1 是规划人员手工规划，阶段2 手工规划结合潮流、短路 等技术校验，阶段3 以规划软件为主结合专家干预，阶段4 规划工作日常化、精 细化。接线模式分析是阶段3 的重要组成部分，是进行n 1 计算和供电能力等其 它计算的基础。接线模式的选择对电网规划的全局起着重要的作用1 6 j 。 在输、配电网的规划研究中，国外对城市电网的各种接线模式分析比较进行 的较全面、完整，各种分析工具、开发的软件包都比较成熟。西欧国家城市电网 几乎都采用了下面几种基本的接线模式：放射性、环形、网孔型、袋型和群型。 而我国对城市配电系统的接线模式研究很少，而且也不完善。 国内许多学者对接线模式进行了研究，其研究方向主要是针对接线模式的经 济性和可靠性【7 。10 1 ，对接线模式识别的研究并不多见。以往的识别方法属于配电 系统配电系统状态估计的一个功能，仅局限于对网络元件连接关系的识别。对拓 扑结果再结合负荷和设备运算参数等进行传统的潮流、短路、网损和可靠性等计。 算】，忽略了对配电系统网络结构特征提取和典型接线模式识别，缺乏对接线模 式的进一步统计分析，因而难以发现所研究的配电系统接线模式的本质特征。文 献 1 2 】以出线树为基本分析单元，提出了一种基于拓扑分析和模式识别理论的城 市中压配电系统接线模式识别方法。这种方法对中压配电系统架空网络接线模式 的识别效果很好，可以有效地识别架空网的多分段多联络接线模式，但不适应于 高压配电系统和中压电缆网接线模式的识别。 1 3 本文主要工作及结构 1 3 1 本文主要工作 针对现有城市中高压配电系统接线模式中存在的问题和不足，本文以拓扑理 论和模式识别理论为基础，结合工程实践，进行如下研究工作： ( 1 ) 对拓扑理论和模式识别理论的基本概念和基本理论思想进行阐述；并针 对接线模式的需要，基于网络拓扑分析，形成“电源一网架一负荷 供电关系及 “网架一网架”联络关系。 ( 2 ) 对接线模式基本概念进行阐述，并重点分析国内中高压配电系统典型接 线模式网络的特点，对接线模式经过概括和抽象，形成了电源、网架、负荷三层 体系结构，并建立各自的接线模式模型，同时引入接线模式组的概念。分析这些 第一章绪论 接线模式组的共同点和各自特征。 ( 3 ) 针对配电系统具有结构复杂、设备巨大、数据处理困难的特点，分别提 取这三层体系的典型特征，综合这些典型特征形成接线模式特征式。通过接线模 式特征式与接线模式特征库的匹配，最后达到接线模式识别效果，如达不到匹配， 则会进一步确认该接线模式合理性。 ( 4 ) 将接线模式理论开发成算法应用到中高压接线模式分析中，给出国内典 型接线模式的识别结果。结合中压配电系统和高压配电系统的各自特点，给出各 自的中间分析结果，实现中高压接线模式特征式的统一，并保留各自的特点。通 过对分析结果的深度分析，能够发现网架中的薄弱环节并给出问题的解决方案。 ( 5 ) 将开发的算法接入到天津大学开发的第四代城市电网规划辅助决策系统 c n p 4 0 上，通过实际工程算例验证算法的有效性和工程实用性。 1 3 2 本文结构 本文第二章主要介绍接线模式识别的基本概念和理论基础；第三章主要介绍 配电系统的接线模式模型、特征表达式的提取及中高压配电系统典型接线模式识 别；第四章主要是算例分析；第五章为本文的总体结论和研究工作展望。 第二章接线模式分析理论基础 2 1 拓扑理论 第二章接线模式分析理论基础 配电网络拓扑分析是指运用图论等方面的知识对配电网络的几何机构和性 质进行分析和研究，以反映配电网络上各元件( 包括结点、线路、负荷等) 的连接 情况和带点状态；最终根据各元件之间的物理连接关系以及各个开关的实时开合 状态，动态生成能够正确描述网络结构并可为计算机分析所利用的数学模型。它 只是反映系统中各元件之间的物理连接关系，而与系统各元件的特性和具体电气 参数无关。 电力系统网络拓扑分析方法有多种，如传统网络拓扑分析法】、网络拓扑的 快速方法 1 3 , 1 4 和有色p e t r i络模型分析方法等。文【13 】至 15 】提出的方法适合 开关状态经常变化的实时情况，如电网调度、状态估计等，而城市配电系统的规 划没有实时要求，因此本文采用传统的分析方法。 2 1 1 图论理论 随着计算机的高速发展，图论得到了越来越广泛的应用，涵盖了包括电信网 络、可靠性理论、现代电路理论等各个学科。尤其是配电网络的拓扑模型特别适 合用图论进行研究和分析。图论是网络拓扑分析的一种十分有效的数学方法，其 功能就是根据电网元件的投运状态把各种设备连接起来。这样，以结点作为图的 顶点，支路作为图的边，就构成了一个称之为图的数据结构。 ( 1 ) 图 图是一种数学结构，由结点集合和边集合及其间的一个映射组成【l6 | 。在网络 图论中，图是电力网络拓扑结构的数学抽象。将电力网络中的节点用点v 表示， 支路用边e 表示，并依据网络连接关系组成的线形图称为电力网络的拓扑图，简 称图( g ) ，其中v ( g ) 为图的结点集，其成员称为结点或顶点；e ( g ) 为图的边集， 其成员称为边；边与顶点的关联映射用表示。 按照各边是否标有方向可将图分为有向图和无向图。各边均标明方向的图称 为有向图；各边均无方向的图称为无向图。 在无向图中，结点v 的度政v ) 是v 作为边的端点的数目。在有向图中，结点的 度1 1 刀以v ) 是v 的出度矿( v ) 和入度矿( v ) 的和；1 ，的出度是v 作为有向边起点的数目，1 ， 第二章接线模式分析理论基础 的入度是v 作为有向边终点的数目。结点的度表征了结点所相邻的边的数目，是 图的性质的重要判据。这也是接线模式判断t ，节点的重要依据。 按照节点之间的通路情况可以将图分为连通图和非连通图。当图的任意两点 之间至少存在一条通路时，称为连通图，否则为非连通图。 ( 2 ) 树 树是一种应用广泛的具有特殊性质的图。连通无回路的无向图成为无向树， 简称为树。树中的悬挂点又称为树叶，唯一没有前件的节点称为根节点，其他结 点成为分支点。单一孤立结点成为空树。诸连通分支均为树的图成为森林。由于 树无环也无重边，因此树必定是简单图。 树的一个结点包含数据项和指向其他结点的分支信息。一个结点的子树个数 称为该结点的度。一棵树的度是树中结点的度的最大值。 配电系统分析以同一变电站引出的所有出线作为一个完整的分析对象，而以 单条出线为基本的分析单元。其中的每一条出线都可看成一棵树，这些出线拥有 共同的树根结点( 变电站) ，在树根处与高压配电网( 或输电网) 相联系，它们组合 起来，又形成一颗更大的树。下图2 1 就是从变电站引出的两条出线树图。 2 1 2 拓扑模型 变电站 树 树 l 2 6 ，一 ， 1 乙 8 3 - - 4 一59 一 ，荐；= 一一- 、j ：_一l o 、 、 1 11 4 ， 、逛害塑筮，7 图2 - 1 出线树 在电力系统元件的通用信息模型( c i m ) 中，所有电力设备均被定义为具有若 干端子的线结构，其中的端子就是为了方便网络拓扑而存在的逻辑结构。配电系 统的任何设备也都可以抽象成一个多端口电路，设备之间在物理上通过设备端子 相连，端子之间的连接描述了设备之间的拓扑关系。这样，以设备端子作为定点， 端子之间的连接作为边，就构成了拓扑图。 典型的配电网络一般由电源、开关、输电线路( 架空线或电缆线) 、负荷组 第二章接线模式分析理论基础 成。这些设备按类型可分为如下几类： ( 1 ) 节点设备：变电站母线、线路节点。依照供电电源点的可靠性，可将变 电站的同一条母线抽象为一个节点。 ( 2 ) 开关设备：断路器、分段开关、隔离开关、联络开关等。可将这些设备 抽象为一条支路。用支路两端节点以及该支路的i d 号唯一表示。 ( 3 ) 终端设备：配电变压器、负荷主变。这里将配电变压器和负荷主变抽象 为与配电网络相连的节点。 ( 4 ) 线路：输电线。可将输电线抽象为一条支路。每条输电线支路可由其两 端节点以及支路l d 号唯一表示。 由于电网络拓扑取决于设备的状态，通过设备的运行状态来体现它们之间电 气上的连接关系。所以各类设备要包含运行状态信息。一般电力系统的设备状态 可分为投运和停运两种基本状态。这样一个实际的电力系统网络拓扑便可以转化 成一个有节点和支路组成的图来表示。 2 1 3 网络图搜索 为了获得配电系统的各结点和支路的连接信息，需要对初始配电网进行遍 历，即要求能够从源节点开始到末结点或从末结点开始到源节点搜索所有的结 点、支路或分支线。遍历的目的主要是为了检测孤立子网络的存在，检查各项数 据的相关性和一致性，即有多少和哪些相与母线和支路连接以及各相数据是否匹 配。图和树的遍历搜索方法可以分为广度优先搜索法和深度优先搜索法。 ( 1 ) 深度优先搜索法( d f s ) 深度优先搜索的具体搜索过程为：访问图中某一起始项点v o 后，由v o 出发， 访问它的任意未被访问的邻接节点v l ：再从v l 出发按深度方向搜索，直到访问到 图中某棵树的叶节点v 。为止。接着，退回一步到刚访问过的上一个节点，看是否 还有其它没有访问过的邻接节点。如果有，则访问此节点，之后在从此顶点出发， 进行深度方向搜索：如果没有，就再退回一步进行搜索。重复上述过程，直到连 通图中所有的顶点都被访问过为止。 深度优先搜索法主要是利用堆栈技术，从一个顶点出发，利用“先进后出” 弹夹式的对战存放中间分支点，沿一条路径走到尽头，再通过出栈操作，按原路 逐步退回，直到找到一个新的未被访问过的分支路径，再沿此路径走到尽头，如 此反复进行。 ( 2 ) 广度优先搜索法( b f s ) 广度优先搜索的具体搜索过程为：访问图中某一起始节点v o 以后，继续访问 与v o 相邻的所有未被访问过的节点v 1 ，v 2 v m ，然后再顺序访问v l ，v 2 v m 第二章接线模式分析理论基础 相邻的所有未被访问过的节点。如此进行，直到图中所有的顶点都被访问过为止。 广度优先搜索主要是利用队列技术，从一个定点出发，将这个顶点未被访问的邻 接顶点依次放入队列中，然后从队列中的头依次取出每个顶点进行访问，图的每 个顶点进队列一次且只进一次。 2 1 4 接线模式预处理 实际的城市配电网结构复杂，建设具有多样化。实际电网数据概括和抽象的 同时需要对电网进行接线模式预处理。根据模式识别所需要的输入，模型化实际 电网使之便于理论分析。对电网拓扑分析，得到适合接线模式的输入。 以高压配电系统的双侧电源不同母线3 t 接线( 图2 2 ) 为例做实际分析。 f 2 r出线c矿 dm 鲁h r 9 母 e l 一。、，一j 。， 图2 2 双侧电源不同母线3 t 接线 ( 1 ) 基本拓扑分析 在配电网规划中，要求配电网闭环设计、开环运行，配电网由变电站各出口 向外辐射状供电。变电站的每一个出口及其供电范围内的节点和线路构成一棵 树，称为出线树。接线模式网架分析以出线树为单位，出线树是接线模式识别的 一部分。图1 所示接线方式中有a , b ，c 三条出线树。 ( 2 ) 联络分析 出线树之间的联络关系是进行接线模式识别的关键信息，是形成接线模式组 的基础，也可以从侧面反映网架结构的可靠性。图2 2 所示接线方式中出线树间 无联络。 ( 3 ) 供电通路分析 供电通路是接线模式分析的又一关键信息。供电通路分析的目的是获取出线 树和负荷的主通路和辅助通路信息。对于基于拓扑理论的接线模式分析，供电通 路分析是接线模式分组的依据。负荷的通路信息也可以表明接线模式的可靠性的 高低。表2 1 列出了图2 2 所示接线方式的供电通路信息。 第二章接线模式分析理论基础 表2 - 1 双侧电源不同母线3 t 接线供电通路 2 2 模式识别理论 2 2 1 模式识别概述 模式识别属于人工智能范畴，人工智能就是要用机器去完成过去只有人类才 能做的智能活动。模式识别就是要用机器去完成人工智能中通过视觉、听觉、触 觉等感官去识别外界环境的自然信息的那些工作i 博】。 模式识别作为一门科学，目的就是要研究出能自动进行模式分类和描述的机 器系统，以完成人类的模式识别的功能。可见它的目标同人工智能范畴的其它分 支的目标是一致的，都是要用机器来代替人类的部分智力活动。图2 3 所示是一 个模式识别系统的简单框图，它由预处理、特征或模式基元的抽取和选择以及识 别三大部分。各部分的作用简单介绍如下： 输入模式 特征或基 预处理识别 元选择 图2 - 3 模式识别系统流程 ( 1 ) 预处理 模式的概念的内涵是很丰富的，凡是人类能用其感官直接或间接接收的外界 第二章接线模式分析理论基础 信息都可称为模式。所以，一个模式识别系统的输入就可能是各种不同介质的信 息。因为现代模式识别技术是建立在使用数字电子计算机的基础上的，所以对于 非电量输入模式，必须首先把它们转化为电信号，然后通过模数转换，使之成 为数字计算机能接收的数字量。为了使输入模式满足识别的要求，还要根据具体 情况对模式进行处理，如滤波、坐标转换、图像增强、图像复原、区域分割、边 界检测、骨架提取等，以减少外界干扰和噪声的影响，使模糊的模式变清楚，并 人为地突出有用信号，以便抽取模式识别所需要的特征。 ( 2 ) 特征和模式基元选择 经过预处理，满足识别要求的模式要根据识别方法的要求抽取选择特征和基 元，作为识别依据。一般来说，要求选择出来的特征和基元能够足够代表这个模 式，另一方面要求它们的数量尽量少，从而能有效地进行分类和描述。模式特征 和基元的选择对识别的效果有直接的影响，所以它们的选择是模式识别的关键。 对于不同的识别对象要用不同的方法抽取特征和基元，而且往往不止一种方法。 ( 3 ) 识别 模式识别方法有多种，如统计决策方法和句法结构方法【l9 1 。许多具体的模式 识别方法也都可以归结到这两种方法中来。 统计决策模式识别方法一般成为统计模式识别方法，它是从被研究的模式中 选择能足够代表它的特征( 设有x 个) ，对每一个模式都由这x 个特征组成在x 维 空间的一个x 维特征向量来代表，于是每一个模式都在x 维特征空间占有一个位 置。一个合理的假设是同类的模式在特征空间相距很近，而不同类的模式在特征 空间则相距较远，这是因为相距近的模式意味着它们的各个特征相差不多，从而 在同一类中的可能性也较大。如果用某中方法来分割特征空间，使得同一类模式 大体都在特征空间的同一个区域中，对于待分类的模式，就可根据它的特征向量 位于特征空间中哪一个区域而判定它属于哪一类模式。统计决策模式识别的任务 就是用不同的方法划分特征空间，使得识别的目的能够达到。 句法结构方法立足于分析模式的结构信息。至今比较成功的是句法结构模式 识别方法。在这个方法中，把模式的分层结构类比于语言中旬子的构造，这样， 就可利用形式语言学的理论来分析模式。模式由一些模式基元按一定的结构规则 组合而成。分析模式如何由基元构成的规则就是结构分析的内容，这相当于在形 式语言中对于一个句子作句法分析。句法结构模式识别就是检查代表这个模式的 句子，是否符合事先规定的某一类文法规则，如果符合，这个模式就属于这个文 法所代表的这个模式类。除了分类的信息外，句法结构方法还能给出模式的结构 信息。 这两种识别方法是并行不悖的，是可以取长补短，互相补充的。统计方法较 第二章接线模式分析理论基础 早，取得了不少应用成果，但是它对模式本身的结构关系很少应用，而很多识别 问题，并不是用简单的分类能够解决的，往往更重要的是要弄清楚这些模式的结 构关系。句法结构模式识别方法中关键的基元选择是要用统计识别方法得到的。 所以可以说，统计方法是模式识别的基础。 2 2 2 模式识别方法 模式识别方法除了上文提到的统计决策方法和结构方法，还有模糊判决法和 人工智能法两种。前两种方法有久远的历史，发展比较成熟，在解决相应领域中 的模式识别问题时，均有明显的效果，是模式分类的经典性与基础性技术。在这 两类方法中引入模糊数学的研究成果，则往往大大改善分类的效果。当然，独立 地运用模糊判决方法，也不乏模式分类的成功实例。特别值得指出的是：随着新 一代计算机研制工作的进行，对人类逻辑思维能力模拟的巨大成功，专家系统与 p r o l o g 、l i s p 语言的广泛应用，在模式识别中将传统的分类方法与基于逻辑推 理的( 狭义的) 人工智能的各相研究成果密切结合，无疑将会这一工作推向新的高 度，具有无必诱人的前景，我们对此应给予足够的重视。一般来说，人工神经网 络的研究，仍属于对人类智能的模拟，亦即属于( 广义的) 人工智能的研究领域。 尽管它更倾向于人类形象思维能力的模拟，而不局限于逻辑思维能力，但它毕竟 属于人工智能的范畴，所以我们仍将它归类为解决模拟分类的人工智能方法。表 2 - 2 给出了四种方法的比较结剁2 0 j 。 配电系统接线模式的特征具有多、明确、提取简单的特点。通过对表2 2 四 种方法的分析，配电系统接线模式的识别使用统计决策方法非常合适。该模式识 别方法比较成熟，基元识别能力强。虽然该方法有复杂模式抽取特征困难的特点， 但是配电系统接线模式模型比较明确，可以忽略该方法的此缺点。 利用统计决策方法进行配电系统接线模式分析的实质就是运用特征匹配原 则，将待识别的模式特征与已知的接线模式特征库进行匹配，若待识别模式的特 征与特征库中某已知的接线模式的特征相同，则待识别模式可以获得匹配特征库 中名称，从而达到模式识别的目的。 第二章接线模式分析理论基础 2 2 3 模式识别流程 本文采用的是统计决策模式识别方法，通过统计的方法提取电网中能代表电 网特征的向量，形成向量特征式。通过向量特征式和已知接线模式特征库的匹配， 达到识别的效果。如果特征式在特征库中匹配不上，则会分析不匹配原因。在模 式识别一般流程的基础上，下图2 4 给出了可以应用于接线模式识别的统计决策 模式识别方法的识别流程。 第二章接线模式分析理论基础 2 3 接线模式基本概念 图2 4 统计决策模式识别方法流程 2 3 1 “t ，“n ”模型及识别 通过表1 1 ，我们可以看出我国城市配电网1 1 0 k v 网络的接线方式多为链式 ( n 接) 和t 接线方式。因此，“r 型，“，型模型的识别是进行接线模式识别的基 础。而“r 型，“，型接线模式以其如下优点： ( 1 ) 供电稳定可靠； ( 2 ) 接线方式灵活； ( 3 ) 接线简单，易于接线方式的标准化，节省投资。 “r 型与”型接线模式比较类似，二者的区别在于线路接入负荷的方式不 同：前者是单线从线路t 接到负荷( 如图2 - 5 所示) ；而后者在t 接处破口，以双 线引进，经隔离开关与变压器连接【2 1 | ，如图2 - 6 所示。“，型接线模式把线路分 第二章接线模式分析理论基础 成3 段，接线方式更加灵活、可靠。 图2 - 5 “t ”型接线 图2 - 6 “i t 型接线 如图可知，“”型与“r 型接线模式的本质区别在于：前者节点所在三个 线路线段的另一端均与开关相连。由于本文拓扑基于广度优先搜索法，在进行网 络拓扑时，拓扑顺序为线路1 一开关l 一线路3 t 节点一线路4 一开关2 一线路 2 ，t 节点一线路5 一开关3 一负荷；后者t 节点所在三个线路线段的另一端只有 一个与开关相连。在进行网络拓扑时，拓扑顺序为线路1 - t 节点一线路2 ，t 节点一线路3 一开关l 一负荷。 关于“t ，型接线，如果不经过拓扑，可以从网架接线方式直接看出。在配电 网中，由上级电源变电站引出的本级电压等级线路，从没回线路中依次t 接支线 分别作为本级各相连变电站各一台的电源，形如英文字母”“r 的接线方式。 连接到一个上级电源变电站的，为单侧电源“r 型接线。连接到两个上级电 源变电站的，为双侧电源“r 型接线。“r 型接线中，没回线的起止点都与不同的 上级电源变电站之间相连，为完全“t 型接线；否则为不完全“r 型接线。 按照变电站进线( 主变台数) 回路数，有单t 、双t 、三t 甚至四t 。 由于天津大学开发的第四代城市电网规划辅助决策系统c n p 4 0 电网元件模 型的特殊性：节点分为线路节点和母线节点。单独“r 型，“兀，型节点可以采取更 第二章接线模式分析理论基础 简单的方法识别。 “r 型节点有以下特点： 线路节点 节点的出度和入度的和大于等于2 “n ”型节点有以下特点： 母线节点 节点的出度和入度的和大于等于2 2 3 2 接线模式组 城市配电系统具有结构复杂和设备量巨大的特点，如何从复杂的结构和设备 中找出不同的典型接线模式，首先就需要对配电系统进行分组处理。通过分组确 定组内电源、出线、负荷，然后才能分别对这三部分进行分析。分组是进行接线 模式的基础。 图2 - 7 带组号的高压配电系统实例 如图2 7 是带组号的高压配电系统实例，这片网络共分为1 1 组。每个组内 都包括电源站、网架、负荷站信息。例如第1 0 组单侧电源不完全双t 接线，组内 元素如下：电源站一林益站；网架出线一t 2 7 ，t 2 8 ；负荷站一白石站，人和站。 分组后，组内元素确定下来，接线模式分析就有了分析的对象。 接线模式分组的原则以出线为单元，分析出线间通过联络开关或联络线建立 的联系，并且出线还通过负荷建立联系，通过循环搜寻，找出相互有联系的元件， 第二章接线模式分析理论基础 确立接线模式组。图2 8 给出了接线模式识别分组的流程。 图2 - 8 接线模式分组流程 2 3 3 电源站与负荷站的概念 一般地，将电力系统中从高压配电变电站出口到用户端的这一段系统称为配 电系统。在我国配电系统可划分为高压配电系统、中压配电系统和低压配电系统 三部分。 高压配电系统与输电系统直接相连，接收输电系统输送的电能，向负荷中心 第二章接线模式分析理论基础 直接放射供电或经降压配电。高压配电系统的电压等级通常选为3 5 k v 、6 6 k v 或 1 1 0 k v 。高压配电系统的电源一般来自不同的2 2 0 k v 或5 0 0 k v 中心变电站。 中压配电系统是指从1 1 0 1 0 k v 或3 5 1 0 k v 降压变电站的l o k v 母线出发经 中压配电线路到低压配电变压器的那一部分网络系统。中压配电系统的电压等级 一般选为l o k v ( 6 3 k v ) 或2 0 k v 。中压配电系统的电源一般来自1o k v ( 6 3 k v ) 或 2 0 k v 配电变电站。 低压配电系统是指从1 0 ( 6 3 ) 0 4 k v 低压配电变压器到用户端的那一部分网 络系统。一般将低压配电系统的电压等级选为0 4 k v ，或称为3 8 0 2 2 0 v 。 配电系统中也可能引入发电机或者分布式电源作为电源的一部分，这就增加 的接线模式识别的难度。 本文所做的接线模式分析主要是针对高压配电系统和中压配电系统。一般来 说，高压配电系统的电源站为2 2 0 1l o k v 变电站或l l o 3 5 k v 变电站，或有发电 机直接接入系统；中压配电系统的电源站为1 1 0 1 0 k v 或3 5 1 0 k v 变电站，或有 分布式电源直接接入系统；高压配电系统的负荷站为11 0 1 0 变电站或3 5 1 0 变电 站或l1 0 3 5 变电站；中压配电系统负荷站为1 0 0 4 的低压配电变压器。 一般来说，一个接线模式组内元素是同一电压等级的，对组内电源的性质和 数目进行统计，可以用文字的形式描述出电源情况。一般可分为以下几种情况： 单侧变电站同一母线、单侧变电站不同母线、双侧变电站不同母线、三侧电源不 同母线。其中每种电源形式都可能有发电机或分布式电源接入作为电源或者附加 增强电源形式出现。 2 4 本章小结 本章介绍了城市配电网络接线模式的理论基础，内容从三个方面展开：拓扑 理论、模式识别理论、接线模式基本概念。拓扑部分重点介绍了图和树的概念以 及接线模式所需要的基本信息；模式识别理论重点介绍了统计决策的内容以及模 式识别流程；接线模式基本概念重点介绍t ，n 模型、电源概念以及接线模式组形 成流程。 第三章配电系统接线模式模型与识别方法 第三章配电系统接线模式模型与识别方法 3 1 配电系统接线模式模型 建立接线模式模型的目的在于为接线模式识别确立研究对象，整合原始数 据，为提取特征作准备。 3 1 1 电源模式识别模型 在配电网规划中，要求配电网闭环设计、开环运行，配电网由变电站各出口 向外辐射状供电。单个负荷一般都由一个主供电源供电。在接线模式识别的研究 中，重点关注的是对整个接线模式组供电的电源个数以及电源站低压侧的接线方 式。所以建立电源站接线模式模型如下： 第i 个电源的接线模式模型s 为 墨= ( ，l ，岛)i=l，2，p(3-i) 式中：p 为电源变电站数； m i 表示待识别接线模式组内第i 个电源变电站的母线数； 缸表示待识别接线模式组内第i 个电源变电站内低压侧接线形式； 在高压配电网实际规划中，发电机越来越多地应用到电网建设中，发电机在 高压配电网中的作用可以概括为： 和电源变电站一起为同一负荷站供电，增加负荷站供电可靠性 对电源变电站供电母线供电，增强电源变电站的供电能力 发电机的加入就给接线模式识别带了问题。首先，它对配电系统结构产生深 刻影响，由于负荷有多个主供电源，使得配电网原有的单向电源馈电潮流特性发 生了变化；其次，配电系统成为一个多电源的系统，而且不一定能维持严格的辐 射状结构，所以对拓扑分析和供电关系分析带来了很大的问题。 在中压配电系统中，分布式电源是指在配电系统靠近用户侧引入的容量不大 ( 一般小于几十兆瓦) 的电源。当在配电系统中引入的分布式电源形成分布式发电 系统之后，引起了配电线路中的有功和无功功率的数量和方向的改变，也会对电 网拓扑结构产生深远的影响。 由于高压配电网中发电机的存在和中压配电网中分布式电源的存在，电源的 模型需要进一步改进，改进的模型如下： 第三章配电系统接线模式模型与识别方法 s = ( m i ，岛，y i ，q i ) i = 1 ，2 ，p( 3 - 2 ) 式中：y i 表示待识别接线模式组内第i 个电源是否是发电机电源；若有发电 机或分布式电源作电源，则只= 1 ，若没有发电机或分布式电源做电源，则 = 0 ； q i 表示待识别接线模式组是否有附加增强电源：若有附加增强电源，则 q ；= l ，若没有附加增强电源，则q i = 0 ； 3 1 2 网架模式识别模型 网架是配电系统的支撑，网架分析分析是接线模式识别的重要组成部分。网 架经过拓扑分析后被分割成多颗出线树，本文根据出线树的特点，建立出线的接 线模式识别模型。研究出线特点需要从以下几个方面考虑： ( 1 ) 网络类型分析 针对开关站开闭站在中压配电网中的特殊地位、作用和分析的特点，按照 是否含有开关站开闭站，将配电网分为带开关站开闭站网络和不带开关站开 闭站网络。其中不带开关站开闭站网络再按照出线树的导线类型分为架空网( 包 含架空电缆混合网) 和电缆网。 ( 2 ) 出线性质分析 由于城市配电系统中添加了发电机或分布式电源，出线就有了闭环的可能。 根据出线是否闭环划分，出线分为开环出线、闭环出线、备用线。通常，开环出 线由单一的主供电源；闭环出线有两个及以上主供电源；备用线本文定义为直接 从电源连接出来、停运的、不挂接负荷的特殊出线。它的作用是增加和它连接出 线所挂接负荷的可靠性。 ( 3 ) 分段联络分析 分段分析可以获得出线树的网架分段信息，联络分析可以获得各出线树间的 联络信息。分段以及联络关系是接线模式识别中的关键信息。分段、联络开关和 联络线是实现配电系统闭环设